DE102010007270B3 - Mold core for shaping and tempering a hollow structure - Google Patents
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Abstract
Formkern (10, 20) zum Formen und Temperieren einer Hohlstruktur (11), umfassend: einen elektrisch nicht leitenden inneren Bereich (13, 23) und einen elektrisch leitenden äußeren Bereich (12, 22); sowie zwei von außen zugängliche elektrische Kontakte zum Anlegen einer elektrischen Spannung, wobei die Stärke des äußeren Bereichs (12, 22) gezielt variiert.A mold core (10, 20) for molding and tempering a hollow structure (11), comprising: an electrically non-conductive inner area (13, 23) and an electrically conductive outer area (12, 22); as well as two externally accessible electrical contacts for applying an electrical voltage, the thickness of the outer area (12, 22) varying in a targeted manner.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Formkern zum Formen und Temperieren einer Hohlstruktur sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Formkernes.The present invention relates to a mold core for shaping and tempering a hollow structure and to a method for producing such a mold core.
Formkerne werden üblicherweise zur Fertigung von Hohlstrukturen, beispielsweise Faserverbundstrukturen, eingesetzt. Es kann zwischen verlorenen Kernen und Dauerkernen unterschieden werden, wobei Dauerkerne wiederverwendbar sind, während verlorene Kerne nach einmaliger Verwendung aus der fertigen Hohlstruktur ausgewaschen und dabei zerstört werden. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn aufgrund der Geometrie der zu fertigenden Hohlstruktur keine Möglichkeit einer gewöhnlichen Entnahme des Formkerns besteht. Verlorene Kerne können chemisch, thermisch oder mittels einer Flüssigkeit lösbar, das heißt ausspülbar, sein und bestehen üblicherweise aus einem Formkerngrundmaterial und einem Bindemittel.Shaped cores are usually used for the production of hollow structures, such as fiber composite structures. It can be differentiated between lost cores and permanent cores, whereby permanent cores are reusable, while lost cores are washed out of the finished hollow structure after a single use and thereby destroyed. This can be useful, for example, if due to the geometry of the hollow structure to be produced there is no possibility of an ordinary removal of the mandrel. Lost cores can be chemically, thermally or by means of a liquid solvable, that is rinsable, and usually consist of a mold core base material and a binder.
Aus der
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Formkern bereitzustellen, der so beheizbar ist, dass auf seiner Außenfläche gezielt eine beliebig vorgebbare Temperaturverteilung resultiert.The present invention is therefore based on the object to provide a mandrel which is heated so that targeted arbitrarily specifiable temperature distribution results on its outer surface.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Formkern zum Formen und Temperieren einer Hohlstruktur gelöst, wobei der Formkern einen elektrisch nicht leitenden inneren Bereich und einen elektrisch leitenden äußeren Bereich sowie zwei von außen zugängliche elektrische Kontakte zum Anlegen einer elektrischen Spannung aufweist, wobei die Stärke des äußeren Bereichs gezielt variiert. Anstelle des Begriffes „Stärke" kann auch der Begriff „Dicke" verwendet werden. Zudem kann anstelle der Formulierung „elektrisch leitend" auch die Formulierung „elektrisch leitfähig" benutzt werden.According to the invention this object is achieved by a mold core for shaping and tempering a hollow structure, wherein the mold core has an electrically non-conductive inner region and an electrically conductive outer region and two externally accessible electrical contacts for applying an electrical voltage, wherein the thickness of the outer region deliberately varied. Instead of the term "strength", the term "thickness" can also be used. In addition, the term "electrically conductive" can also be used instead of the term "electrically conductive".
Insbesondere kann der äußere Bereich des Formkerns aus einem Formkerngrundmaterial bestehen, das elektrisch leitfähigem Material, wie zum Beispiel Leitruß, Graphit, kurzen und/oder langen Kohlenstofffasern und/oder mit Metallpulver oder -fasern, angereichert ist, wobei der Anteil des elektrisch leitfähigen Materials konstant ist oder gezielt variiert.In particular, the outer portion of the mandrel may be formed of a mandrel base material enriched with electrically conductive material such as carbon black, graphite, short and / or long carbon fibers and / or metal powder or fibers, the proportion of electrically conductive material being constant is or varies deliberately.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Kontaktfläche zwischen dem inneren Bereich und dem äußeren Bereich glatt ausgebildet. „Glatt" soll hierbei als geringe Rauheit der Kontaktfläche ausgelegt werden.According to another embodiment, a contact surface between the inner region and the outer region is smooth. "Smooth" should be interpreted here as a low roughness of the contact surface.
Alternativ ist eine Kontaktfläche zwischen dem inneren Bereich und dem äußeren Bereich rippenförmig ausgebildet.Alternatively, a contact surface between the inner region and the outer region is rib-shaped.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist eine Kontaktfläche zwischen dem inneren Bereich und dem äußeren Bereich mit Silberlack beschichtet.According to a particular embodiment, a contact surface between the inner region and the outer region is coated with silver paint.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Formkern als verlorener Kern ausgebildet und kann beispielsweise unter Verwendung einer Flüssigkeit ausspülbar sein.According to a further embodiment, the mandrel is formed as a lost core and can be flushed out using a liquid, for example.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Formkerns, umfassend Formen eines ersten Körpers zum Ausbilden eines inneren elektrisch nicht leitenden Bereichs des Formkerns; und Aufbringen von Formmaterial auf den ersten Körper zum Ausbilden eines äußeren elektrisch leitenden Bereichs des Formkerns und Anbringen von zwei von außen zugänglichen elektrischen Kontakten zum Anlegen einer elektrischen Spannung, wobei die Stärke des äußeren Bereichs gezielt variiert. Die Stärke kann räumlich bzw. flächig gezielt variieren.The invention further relates to a method for producing a mandrel comprising forming a first body for forming an inner electrically non-conductive region of the mandrel; and applying molding material to the first body to form an outer electrically conductive portion of the mandrel and attaching two externally accessible electrical contacts to apply an electrical voltage, wherein the thickness of the outer region selectively varies. The strength can vary spatially or area specifically.
Die Verfahrensansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen der ErfindungThe method claims relate to advantageous embodiments of the invention
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines wie oben beschriebenen Formkerns zum Formen und Temperieren einer Hohlstruktur, umfassend: Einbringen eines zur Herstellung der Hohlstruktur vorgesehenen Werkstoffs in eine Form; Einbringen des Formkerns in die Form; Schließen der Form und Herstellen einer elektrischen Verbindung zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die beiden elektrischen Kontakte des Formkerns zum Beheizen des Werkstoffs; und nach abgeschlossenem Aushärten des Werkstoffs zur Hohlstruktur Lösen der elektrischen Verbindung und Entfernen des Formkerns vorzugsweise durch Ausspülen aus der Hohlstruktur und der Form. Alternativ kann der Formkern auch erst dann aus der Hohlstruktur entfernt werden, nachdem diese bereits aus der Form entfernt wurde.A further aspect of the invention relates to the use of a mold core as described above for shaping and tempering a hollow structure, comprising: introducing a material intended for producing the hollow structure into a mold; Inserting the mold core into the mold; Closing the mold and making an electrical connection for applying an electrical voltage to the two electrical contacts of the mandrel for heating the material; and after completion of the curing of the material to the hollow structure, releasing the electrical connection and removing the mold core, preferably by rinsing out the hollow structure and the mold. Alternatively, the mold core can only then be removed from the hollow structure after it has already been removed from the mold.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch einen mehrschichtigen Aufbau eines Formkerns aufgrund des Ausbildens eines inneren und eines äußeren Bereichs und einem Zusammenspiel der Stärke des äußeren Bereichs mit der Stärke des inneren Bereichs die Wärmeerzeugungseigenschaften eines hindurchfließenden Stromes derart beeinflusst und gesteuert werden können, dass an jedem Punkt, insbesondere an jedem Punkt der Außenfläche, des Formkerns eine bestimmte Wärmemenge erzielt werden kann. Die zu erzeugende lokale Temperatur kann genauer vorgegeben werden, als dies mit jedem anderen bekannten Herstellungsverfahren bzw. jedem anderen bekannten Formkern bei vergleichbar geringem Aufwand möglich ist. Auch erlaubt der erfindungsgemäße Formkern eine besonders effiziente Erwärmung einer Hohlstruktur, da die Wärme direkt an der Oberfläche des Kernes entsteht, wo sie benötigt wird.The invention is based on the surprising finding that a multilayer structure of a mold core due to the formation of an inner and an outer region and an interaction of the thickness of the outer region with the thickness of the inner region can influence and control the heat generation properties of a flowing stream in this way, that at any point, in particular at any point of the outer surface of the mandrel, a certain amount of heat can be achieved. The local temperature to be generated can be specified more precisely than is possible with any other known production method or any other known mold core with comparatively little effort. Also, the mold core according to the invention allows a particularly efficient heating of a hollow structure, since the heat arises directly at the surface of the core, where it is needed.
Ein besonders überraschender Effekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Aufbau aus zwei Bereichen nicht nur eine Steuerung der Wärmeverteilung zulässt, sondern gleichzeitig eine thermische Isolierung des inneren Bereiches bietet und so eine Wärmesenke im Inneren des Formkernes vermeidet. Gleichzeitig findet dabei keine unnötige Erwärmung von Bereichen des Formkern statt, die mit der Hohlstruktur gar nicht in Kontakt stehen, so dass als weiterer Vorteil ein effizienter Energieeinsatz zu nennen ist. Dies bietet zudem gegenüber der Verwendung flüssiger oder sonstiger beweglicher Wärmeträger den besonderen Vorteil, dass der Formkern sowohl hinsichtlich seiner Struktur als auch der Verfahrensschritte, die zum Bau nötig sind, besonders einfach ist.A particularly surprising effect of the present invention is that the construction of two areas not only allows a control of the heat distribution, but also provides a thermal insulation of the inner region and thus avoids a heat sink inside the mold core. At the same time there is no unnecessary heating of areas of the mold core, which are not in contact with the hollow structure, so that is an additional advantage to call an efficient use of energy. This also offers over the use of liquid or other movable heat transfer the particular advantage that the mandrel is particularly simple both in terms of its structure and the process steps that are necessary for the construction.
Ein Vorteil besteht weiter darin, dass die besonderen Schwierigkeiten, die bewegliche Wärmeträger in Verbindung mit löslichen verlorenen Kernen darstellen, vermieden werden.A further advantage is that the particular difficulties posed by mobile heat transfer media associated with soluble lost cores are avoided.
Ein weiterer besonderer Vorteil liegt darin, dass alternative Heizverfahren, die etwa metallische Heizwendeln im Formkern vorsehen, nur schwer mit der Konsistenz und insbesondere der Auflösung eines verlorenen Kerns zu vereinen sind.Another particular advantage is that alternative heating methods, which provide for instance metallic heating coils in the mandrel, are difficult to reconcile with the consistency and in particular the dissolution of a lost core.
Darüberhinaus erlaubt die vorliegende Erfindung, das Entstehen thermischer lokaler Ausdehnungen und damit Spannungen im Formkern zu vermeiden. Wie oben in der Diskussion der bekannten Technik gezeigt, kann thermischen lokalen Ausdehnungen bisher nicht wirkungsvoll begegnet werden, so dass auch darauf basierende Spannungen gemäß dem Stand der Technik ein ungelöstes Problem darstellen.Moreover, the present invention allows to avoid the formation of thermal local expansions and thus stresses in the mold core. As has been shown above in the discussion of the known technique, thermal local expansions can not be effectively counteracted so that prior art stresses based thereon also pose an unsolved problem.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert sind, in denen:Further features and advantages of the invention will become apparent from the claims and from the following description in which exemplary embodiments are explained in detail with reference to the schematic drawings, in which:
Der in
Der äußere Bereich
Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann der Formkern
Zum elektrischen Widerstandsheizen des Formkerns ist der äußere Bereich
Um den unterschiedlichen thermischen Leitfähigkeiten des inneren Bereichs
Die Form des erfindungsgemäßen Formkerns kann sowohl in Längs- als auch in Querrichtung beliebig ausgebildet sein.The shape of the mandrel according to the invention can be of any desired design both in the longitudinal and in the transverse direction.
Im folgenden wird eine besondere Ausführungsform beschrieben, in der eine Hohlstruktur hergestellt werden soll, die einen Hohlraum in Form zweier koaxial aneinandergereihter Hohlzylinder mit unterschiedlichen Radien aufweist. Unter der Randbedingung, dass der dem Hohlraum entsprechende Formkern über seine gesamte Außenfläche eine gleichmäßige Wärmeentwicklung erzeugen soll, soll bei gegebenen Außenabmessungen des Formkerns die dafür erforderliche Querschnittsfläche des inneren Bereichs an einem bestimmten Abschnitt bestimmt werden. Möge der äußere Bereich
Der Umfang eines Zylinders ist als
The circumference of a cylinder is as
Mit steigendem Umfang U erhöht sich linear die zu erbringende Wärmeleistung, die nötig ist, um eine gleichbleibende Temperierung zu bewirken. Diese Wärmeleistung ist außerdem proportional zu dem elektrischen Widerstand R. Ferner beträgt die Querschnittsfläche eines zylinderförmig inneren Bereichs
Damit lässt sich die Querschnittsfläche Aaußen,i des äußeren Bereichs
Aus dieser Gleichung kann der gesuchte Radius rinnen,2 aus berechnet werden. Anders ausgedrückt kann also bei festem Radius raußen,1 an einem ersten Abschnitt
In einer alternativen Ausführungsform mit quadratischen, rechteckigen oder auch beliebigen Querschnittsformen des Formkerns sind die obigen Gleichungen analog anwendbar, wobei lediglich die korrekten Funktionen zur Berechnung der jeweiligen Querschnittsfläche und des Umfangs zu verwenden sind.In an alternative embodiment with square, rectangular or even any cross-sectional shapes of the mandrel, the above equations are analogously applicable, wherein only the correct functions for calculating the respective cross-sectional area and the circumference are to be used.
Die
Die oben beschriebene Ansätze zum Beeinflussen einer lokalen Erwärmung innerhalb eines Formkerns, der wie gezeigt besonders auf einer Anpassung der Bereichsstärken basiert, kann vorteilhaft kombiniert werden mit einer räumlich oder flächig unterschiedlich starken Anreicherung von Zusatzstoffen im äußeren Bereich
Die vorstehend beschriebene Erfindung kann zur Herstellung von Hohlstrukturen, beispielsweise Faserverbundstrukturen, sowie im Druckgußverfahren oder im Bereich des Spritzgußverfahrens verwendet werden. Allgemein stellt die Erfindung eine Verbesserung bei der Herstellung komplexer Hohlstrukturen dar, bei denen eine Temperierung der Form erforderlich oder vorteilhaft ist.The invention described above can be used for the production of hollow structures, for example fiber composite structures, as well as in die-casting or in the injection molding process. In general, the invention represents an improvement in the production of complex hollow structures, in which a temperature of the mold is required or advantageous.
Zur Fertigung eines Formkerns gemäß den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind im wesentlichen zwei Schritte nötig. In einem ersten Schritt wird dabei der innere elektrisch nicht oder nur gering leitende Bereich ausgebildet, wobei beispielsweise ein Druckverfahren zur Anwendung kommt. Typischerweise besteht der innere Bereich dabei aus Formsand. In einem zweiten Schritt wird der äußere elektrisch leitende Bereich
Um den erfindungsgemäßen Formkern zum Formen und Temperieren einer auszuhärtenden Hohlstruktur
In den vorstehend dargestellten Ausführungsformen wird ein Formkern beschrieben, der einen neuartigen und besonders effizienten Weg darstellt, eine bestimmte Verteilung von zum Aushärten einer umgebenden Faserverbundstruktur zu erzielen. Neben den bereits genannten Vorteilen der Erfindung sei noch auf eine besonders einfache, schnelle und kostengünstige Kernherstellung hingewiesen, die zudem vorteilhaft zu automatisieren ist. Aufgrund des einfachen Ausbaus sind geringe Kosten beim Bau eines solchen Formkerns zu erwarten, insbesondere da die Hauptbestandteile einer entsprechenden Anlage lediglich einen Stromgenerator und eine Stromregelung umfassen. Die bereits erwähnte gute Umweltverträglichkeit des erfindungsgemäßen Formkerns beruht weiter darauf, dass kein Medium für die Wärmezufuhr in den Kern nötig ist. Es fällt damit kein eventuell aufwendig zu entsorgendes Abfallprodukt an.In the embodiments presented above, a mold core is described which represents a novel and particularly efficient way of achieving a certain distribution of for curing a surrounding fiber composite structure. In addition to the already mentioned advantages of the invention should be pointed to a particularly simple, fast and inexpensive core production, which is also advantageous to automate. Due to the simple design, low costs are to be expected in the construction of such a mold core, in particular since the main components of a corresponding system comprise only one current generator and one current regulator. The already mentioned good environmental compatibility of the mold core according to the invention is further based on the fact that no medium for the heat input into the core is necessary. It is thus not a potentially wasteful waste product to be disposed of.
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.The features of the invention disclosed in the present description, in the drawings and in the claims may be essential both individually and in any desired combinations for the realization of the invention in its various embodiments.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10, 2010, 20
- Formkernmold core
- 1111
- Hohlstrukturhollow structure
- 12, 2212, 22
- äußerer Bereichouter area
- 13, 2313, 23
- innerer Bereichinner area
- 18, 2818, 28
- Kontaktflächecontact area
- 19a19a
- Abschnittsection
- 19b19b
- Abschnittsection
- 2121
- Temperaturprofiltemperature profile
- rinnen,1 inside, 1
- Innenradius vom äußeren BereichInner radius of the outer area
- rinnen,2 inside, 2
- Innenradius vom äußeren BereichInner radius of the outer area
- raußen,1 outside, 1
- Außenradius vom äußeren BereichOuter radius from the outer area
- raußen,2 outside, 2
- Außenradius vom äußeren BereichOuter radius from the outer area
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